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清华大学教材版钢机闭pdf

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  第一章绪论第一节钢结构的特点钢结构是钢材制成的工程结构通常由型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砖石等砌体结构都是工程结构的不同分支。它们之间有许多共同性例如在结构体系、内力分析和设计程序等方面大体是相同的但由于材料性质的不同、原材料和构件截面形状的不同也有其特殊性例如在结构型式、构件计算方法、构件连接方法和构造处理方法等方面都有显著的差别。学习钢结构应注意它的特殊点。钢结构具有下列优缺点:材质均匀可靠性高钢材组织均匀接近于各向同性匀质体。钢材由钢厂生产控制严格质量比较稳定。钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果所以钢结构可靠性较高。)强度高重量轻钢材强度较高弹性模量亦高因而钢结构构件小而轻。当今有多种强度等级的钢材即使强度较低的钢材其密度与强度的比值一般也小于混凝土和木材从而在同样受力情况下钢结构自重小可以做成跨度较大的结构。由于杆件小所占空间少亦便于运输和安装。塑性和韧性好钢结构的抗拉和抗压强度相同塑性和韧性均好适于承受冲击和动力荷载有较好的抗震性能。便于机械化制造钢结构由轧制型材和钢板在工厂制成便于机械化制造生产效率高速度快成品精确度较高质量易于保证是工程结构中工业化程度最高的一种结构。安装方便施工期限短钢结构安装方便施工期限短可尽快地发挥投资的经济效益。密封性好钢结构的密封性较好容易做成密不漏水和密不漏气的常压和高压容器结构和大直径管道。耐热性较℃以内时钢材强度变化很小因而钢结构适好结构表面温度在用于热车间。时应采用隔热板加以防护。但结构表面长期受辐射热达耐火性差钢结构耐以后其强度和弹性火性较差钢材表面温度达时几乎降到模量显著下降零。当耐火要求较高时需要采取保护措施如在钢结构外面包混凝土或其他防火板材或在构件表面喷涂一层含隔热材料和化学助剂等的防火涂料以提高耐火等级。耐锈蚀性差钢结构耐锈蚀性较差特别在潮湿和有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀需要定期维护增加了维护费用。第二节钢结构的应用范围由于钢材和钢结构有上述特点钢结构常用于各种工程结构中。在我国目前钢材需要量大而产量还不够多的情况下钢结构的合理应用范围大体如下:重型工业厂房的承重骨架和吊车梁例如冶金企业的炼钢、轧钢车间重型机械厂的铸钢、水压机、锻压、总装配车间等等这些车间高度和跨度一般都比较大有的柱距也比较宽有重级工作制大吨位吊车(有超重吨位达的)或是设备振动厉害或是热加工车间结构表面温度较高。大跨度建筑的屋盖结构例如公共建筑中的体育馆、大会堂、影剧院等工业建筑中的飞机装配车间、大型飞机检修库等。大跨度桥梁跨度较大的铁路和公路桥梁多采用钢结构。)多层和高层建筑的骨架例如工业建筑中的多层框架、民用建筑中跨度较大的多层框架和高层框架。四、五十层的钢结构高层建筑已在我国建成多幢。固定式采油平台也多用多层钢框架。塔桅结构如输电线路塔架、无线电广播发射桅杆、电视播映发射塔、环境气象塔、排气塔、卫星或火箭发射塔等高耸结构常采用钢结构。容器和大直径管道等壳体结构如储液罐、储气罐、大直径输油(气)和输煤浆管道、水工压力管道、囤仓以及炉体结构等。移动式结构如水工闸门、各种起重机、射电望远境、移动式采油平台等。可拆卸、搬移的结构如装配式活动房屋、流动式展览馆、军用桥梁等采用钢结构特别合适轻型结构跨度不大屋面轻的工业和商业房屋常采用冷弯薄壁型钢结构或小角钢、圆钢组成的轻型钢结构。)在地震区抗震要求高的工程结构。第三节钢结构的发展概况中国是最早用铁建造结构的国家之一。比较著名的是铁链桥它是从竹索桥演变来的。现存的最早铁链桥之一为云南省永平与保山之间跨越澜沧江的霁虹桥(图始建年)几经重修。桥总长于明朝成化年间(两岸桥台伸入江中净跨宽根(现存根)栏杆铁链左右各一根。著名的中国红底部承重铁链军长征经过建成于年)年(清朝康熙的四川省泸定大渡河上的泸定桥(图净跨宽共有根每根重约多。在当时条件下在水流急湍的河道铁链上架起这样长的铁链桥工程是艰巨的。它表明了我国劳动人民的聪明才智和创造力。中国古代的钢铁结构除铁链桥外尚有许多纪念性建筑如目前仍然存在的、建于层塔年(五代南汉)的广州光孝寺东铁塔共以及建于年的西铁身高图大渡河泸定桥塔现仅存层年(宋)在湖北当阳(图玉泉寺建造的层铁塔塔身高塔由生铁铸成每层分别浇铸留榫槽逐层彼此连接而成为整体。西方国家第一个完全用生铁建造的肋拱桥年出现在英国科尔布鲁克代尔跨长约世纪末期工业革命兴起冶金技术和土木工程随之发世纪年代有了商业生产的熟铁型材促使熟铁结构和生熟铁组合结构的出现。世纪年代开始用轧制方法制造铁轨年代出现了铆钉连接之后出。世纪霁图虹桥全景展。现铆接熟铁结构使桥梁和其他建筑的跨度得以增大年。较早且较大的工程是在英国威尔士建成的跨麦奈海峡()的)四跨连续的箱管截面铁路桥梁。年建成的高(现总高)的巴黎埃菲尔(铁塔年代进也是用熟铁制造的(本世纪行了全面维年相继发年和修)。明转炉和平炉冶炼工艺出现了软钢时年代和年代起代。从世纪有了全钢制造的桥梁如跨越美国密西西比河的年圣路易斯拱桥建成中央跨长两边跨各为与钢铁材料平行发展的是材料试验技术、工程力学和结构理论的发展使钢铁材料的性能可以得到比较精确的测定各种在此基结构形式和计算方法不断出现础世纪初开上结构规范也得到发展始有了铁路桥梁规范。早在世纪后半叶就出现的焊缝连图玉泉寺铁塔接从世纪年代起开始在工程结构上得到比较广泛的应用。年代末到年代初在钢结构上开始采用高强度螺栓连接。这些都促进了钢结构的发展近几十年来钢材品种的增加、制造方法的改善、新结构形式的采用、计算方法和设计理论的发展使钢结构在工业与民用房屋、桥梁以及其他工程结构中得到更广泛的应用。年建成层、高的美国芝加哥的西尔斯()大厦例如是目前最高的高层房吊桥主跨长屋年建是至今跨度最大的钢桥成的英国亨伯(年在波兰华沙建成的一座长波用正在建造的日本明石海峡吊桥中央跨长桅年建成的杆层苏联基辅纤绳高电视塔高是目前最高的结构物年在美国新奥尔良建成的超级穹是当今最高的自立式钢塔顶直径是世界年代初最大穹顶之一建成的新加坡章宜机场跨度为的飞机库是世界上最大的飞机库之一。中国古代在钢铁结构方面虽有所创建但在封建制度下生产力发展极其缓慢在解放前的半封建半殖民地的百年历史中中国也曾建造过一些钢桥和钢结构高层建筑但绝大多数是外国人设计的。新中国成立以后随着经济建设的发展钢结构在桥梁、较大跨度的重型厂房、大型公共建筑和高耸年武汉长江大桥结构物等方面得到较多的应用。例如在桥梁方面自年建成的南京建成以后相继在长江上建起包括九江长江大桥在内的座钢桥。长图九江长江大桥用柔性拱加劲的主联(三跨)合拢情景栓连接逐渐代替铆钉连接自年建造了中国第一座高强度螺栓连接的铁路钢桥之后建造了不少栓焊钢桁架桥即杆件在工厂焊接制成再将杆件在现场用高强度螺栓安装连接组成整体桥梁现在已成为较大跨度钢桥的主要型式之一。近年来还开始采用箱形梁等新型桥跨结为构图年建成的在陕西安康跨越汉江的一座斜腿刚架铁路桥主跨为连续箱形梁二斜腿铰间跨度为。图为年建成的跨越黄浦主桥为双塔双江的上海市南浦大桥总长索面斜拉桥全长采用钢梁与钢筋混凝土板相结合的组合梁结构中跨跨长是我国已建跨度最大的斜拉桥桥塔高为折线型钢筋混凝土结构每座桥塔两侧各以对钢索连接主梁索面呈扇形。正在建造的同类型的上海市杨浦大桥中跨跨长年底建成的在拉萨市达孜县跨越拉萨河的达孜悬索桥是我国已建最大跨度的吊桥主索跨长桥面实长江大桥为铁路公路两用双层桥正桥(图长孔其中有孔钢梁共为图南京长江大桥三跨连续桁架采用了低合金钢。公路部分已通车的九江长江大桥也是铁路公路两用的双层桥正桥全长其中主联跨长(用柔性拱加劲采用的钢材为钢见图。由于在钢结构连接方法方面焊接和高强度螺图上海南浦大桥有的空载段桥面净宽桥面系为全焊钢结构车道为正交异性板。在工业建筑方面几个大型钢铁联合企业(如鞍山、武汉、包头、攀枝花以及新建的宝山等钢铁联合企业)的炼钢、轧钢、连铸、无缝钢管等厂房的主体结构都是采用钢结构。重型机械厂、大型电机厂以及锅炉厂等的主为要车间的主体结构也是钢结构。图年建成的上海锅炉双层桥式吊车的上层厂的重型容器车间主跨厂房高度为图安康斜腿刚架桥上海锅炉厂重型容器车图间为台起重量吊车。在某些工业建筑中特别是地震区近年来常采用平板型钢网架结构以代替钢屋架为。图年建成的广州白云机场大型客机检修库屋盖结图广州白云机场大型客机检修库构采用跨度为高低整体式折线形网架设有多支点悬挂吊车网架沿大门一边设反梁高低跨交界处设加强杆使网架高度增大。在建的北京首都机场大型客机检修库屋盖钢网架结构。有些工业建筑采用冷为双跨为北京汽车弯薄壁型钢结构如图制造厂自动化高架的层货盘架主要采用冷弯薄壁方管和槽钢由高强仓库净高图北京汽车厂自动化高架仓库在公共建筑方面各种结构型式如平面桁架、拱、空间桁架、平板型网架、筒形网壳、圆屋顶、悬索屋盖等都有所采用。近一、二十年来由交叉桁架组成的或由四角锥、三角锥组成的平板型为网架是公共建筑屋盖结构中应用较多的型式。图年建成的上图上海体育馆比赛馆网架海体育馆比赛馆屋盖结构采用直)的三向网架支承在径为(包括悬挑为根柱上是目前中国跨度最大的房屋网架杆件采用直径为圆钢管节点为图示为网架整体吊焊接球节点球直径多数为装的情景。在建的天津新体育馆屋度螺栓连接而成堆垛起重机由计算机操纵在净宽的巷道内运行。盖为钢网壳圆顶结构直径形双层辐射式悬索结构直径中央钢环直径索是目前中国跨度最大的悬索屋盖。屋盖采用圆年建成的北京工人体育馆(图高上下两层各有束钢图北京工人体育馆为届亚运会兴建年在北京举行的第的运动场馆中很多采用了型式新颖的钢为北京结构屋盖。图国家奥林匹克体育中心游泳馆外景。屋盖结构采用斜拉索双坡曲面组合屋盖。沿屋脊处布置长、截面为的纵向箱形钢梁钢梁两端支承于高和的西、东两个空心梯形钢筋混凝土塔筒钢梁中部则由每个塔度为筒伸出排根)平行斜拉索予以悬吊。两侧屋檐处各布置柱距的纵向钢筋(每排混凝土框架两侧框架柱轴线距。沿横向在屋脊钢梁和屋檐框架柱离(即房屋跨度)为的折间布置间距为线形空心球节点的平面钢管桁架。折线形桁架靠近屋檐的约半:坡度上下弦间距(即桁架高度)靠近屋脊的约半跨为跨为上下弦平行并呈上下弦节点在同心圆上的圆弧桁架高度仍为形弦杆坡度逐渐变陡并在屋脊处约达上下弦折线形面内设支撑。这种结构体系在室内外都很壮观。近几年来在北京、上海和深圳等地建成幢钢结构高层建筑有旅馆、办公楼也有为年建成的北办公、公寓和饭店等综合性多功能大楼。图京京广大厦地上图北京国家奥林匹克体育中心游泳馆图北京京广大厦层地下层总高度为中国目前最高的房屋其平面形状为扇形结构体系为框架剪力墙结构。用钢结构建成的塔桅结构种类较多。我国自立式钢电视塔总高超过(在广州)、上海、广州、汕头和大庆座其中以年建成的高高其中塔架(图高天线桅杆高塔身为六边形空间桁架结构底宽顶宽在标高间设有层塔楼直径气象、消防、环保和游览使用钢材除平台和钢管桩为外采用图北京环境气象塔观察臂杆身工作纤绳平台。的有广东的大庆最电视塔供发射、机房、节目控制、钢连接采用焊接图大庆电视塔和高强度螺栓连接。图为是具有层纤绳年建成的北京环境气象塔高的桅杆结构杆身为三角形边宽此桅杆是目前我国最高的钢结构物。图为上参见《特种结构》年期钢烟囱的支持塔架是塔桅结构在工业建筑上应用例海宝山钢铁总厂子之一。在石油开发和城市建设中兴建了不少大型容器结构如储油罐、储气罐以及囤仓等。年在秦皇岛曾万立方米储油罐之后仅二、三年内相继建造了这种高座建成为水平的油罐十多座。年在北京建造的利蒲钢板筒式粮仓高图筒体由薄直径钢板卷边咬口连接而成连续螺旋形咬口卷边对筒体起加劲作用因无焊接工序筒体制造安装简易由专门设备完成。北京利蒲图图筒式粮仓近年来在开采我国近海石油过程为年代初中已开始建造近海采油平台图建成的渤海埕北油田固定式采油平台。号钢钢结构所用的钢材在建国初期使用普通碳素钢的(现称钢)和号桥年代同时梁钢屈服点不钢和低于采用普通低合金钢。近年来增加了强度更高的低合钢钢钢不低于不低于如。九江钢不低于长江大桥还采用了新研制的钢结构的设计理论从容许应力设计法、三系数设计法、多系数分析单一系数表达的容许应力设计法已发展到以一次二阶矩概率为基础的、用分项系数表达的极限状态设计法更趋合理(见第三章)国民经济的发展将对钢结构提出更多更高的要求。近年来四、五十层的钢结构高层建筑已在北京、上海等城市建造。空间结构如平板网架、网壳和悬索屋盖越来越得到更多的宝钢烟囱塔架图渤海埕北固定式采油平台应用。钢混凝土组合结构能充分发挥两种材料的优点应用范围日益扩大。薄壁型钢结构尤其是压型钢板近年来得到相当的发展提出了维护结构与承载结构共同受力的设计课题。钢结构跨度和高度的增大荷载的加重要求采用强度更高的低合金钢。为了节约材料要求生产高效钢材型钢型钢、冷弯薄壁型钢、方钢管和圆钢管、镀如轧制锌钢板、彩色涂层钢板以及高强度耐候钢。钢结构的计算理论如稳定计算特别是板件屈曲后的承载能力的计算塑性设计可靠性分析优化设计以及在动力荷载下的性能疲劳断裂等都需要进一步深入研究。现有结构可靠性评估以及结构和构件残余寿命估算和加固也都需要开展研究。钢结构制造的工业化程度随着新技术的发展会进一步提高因而对钢结构的标准化提出了更高的要求。第四节钢结构体系及其组成的构件等。这里就常见的几种类型分钢结构类型很多有梁、桁架、框架、拱、壳、悬索析其组成。钢结构中较多是以杆件体系为主的结构其中以梁、桁架和框架类比较常见。图为一单层厂房结构其主要承重结构为由柱和横梁(常用桁架组成的横向框架作用于屋盖的垂直荷载由横梁传到柱吊车传到框架柱。为了传递水平力荷载则由吊车梁保证框架的稳定和使厂房有较好的整体刚性还有必要在框架之间以及柱之间设置一些支撑构件如图。这样纵横两方向的各种不同用处的构件组成了一个整体空间结构。但是为了计算简便以横向框架作为平面结构来分析其它构件则分别按其所承受的荷载或力单独进行计算。框架横梁可以是实腹梁或桁架。桁架作为受弯构件其组成一般为仅承受拉力或压弯构件。吊车梁为力的拉杆或压杆。框架柱为承受压力和弯矩的压图单层单房框架跨厂柱屋架吊车梁吊车制柱间支撑。屋架支撑动桁架为图一多层多跨房屋框架结构横向和纵向的梁与柱之间均做成刚性连接组成一空间刚架即横向和纵向都是刚架。设计时可按平面刚架或空间刚架进行计算。通常情况是刚架的纵向柱距比横向柱距(跨度)小楼层垂直荷载主要传给横向刚架。这样按平面刚架计算时横向刚架承受垂直荷载和横向水平荷载(风、地震力等)而纵向刚架则仅承受较少垂直荷载和纵向水平荷载。这种横向刚架主要受力的体系也使空间刚架中刚度较小的横向刚架得到加强。刚架中的梁主要是受弯构件轴力较小柱则是压力和弯矩都可能很大的压弯构件。在高层建筑钢结构中由于风或地震产生的水平荷载成为设计时的控制因素需要在垂直方向设置抵抗很为大水平力的特殊构件(称抗侧力构件)以减小侧向位移。图常用于四、五十层高层钢结构房屋的一种体系在框架中设置垂直支撑桁架作为抗侧力结构并在靠近顶层和在中间设备层分别设水平帽状桁架和水平带状桁架使部分不属于垂直支撑桁架的框架外柱共同参加抵抗水平力的工作以增大侧向刚度。从组成的构件看有梁、柱和支撑桁架。受弯构件。支撑结构则一般为受拉或受压杆件组成。图多图层多跨刚架房屋高层钢结构房屋示例钢结构在板、壳结构体系中除楼面和屋面板、墙板、桥面板、容器结构、大直径管道等情况外较少采用实体板、壳结构体系。但许多由杆件组成的空间结构体系从其整体受力筒状网壳、穹顶网特点看则属板或壳如平板网架(图壳(图)等。这类结构体系一般难以分解成平面结构采分析可按空间桁架(杆件体系受力状态有拉杆、压杆、拉弯杆件、压弯杆件)或按板、壳模拟进行计算。钢材的受拉和受压强度虽然相同但用作压杆时压杆由于屈曲承载能力的限制不能充分发悬挥其效能而拉杆则能充分发挥其强度因而钢结构可用于另一类结构体系所示的北京工人体育馆的悬索屋盖上下两层预拉力悬索索体系。例如图锚固于钢内环和钢筋混凝土外环下层索为承重索上面承受屋顶重量一面起稳定索作用。层索悬索结构常用于桥梁上过去建过不少吊桥现在则还常采用斜拉桥(或称斜张桥)例如图所示的跨越黄浦江的上海市南浦大桥桥面大梁为钢梁与钢筋混凝土板组合结构所示的北京国家奥用钢索将大梁连接在桥塔上从整体看是一索梁组合体系。图林匹克体育中心游泳馆则为斜拉索用于大型公共建筑结构的一例该工程的主要结构除塔、索、梁外还有曲线形桁架、支撑、柱及保温夹芯板(复合屋面板)等。从以上各例可以看到组成不同钢结构体系的基本构件有轴心受拉构件、轴心受压构弯构件、拉索以及板、壳等。这些构件或杆件、受弯构件、拉弯构件、压件由焊缝和螺栓等图穹顶网壳连接起来成为整体结构。本书的主要章节是讲授这些基本构件以及连接等的计算和设计问题。由于篇幅所限对于整体结构只有比较常用且有代表性的单层厂房钢结构单列一章加以介绍和分析对平面桁架(屋架)专设一章对框架结构中的若干计算和构造问题则在讲述基本构件的有关章节时分散介绍。其它结构体系中的专门问题将留在有关选修课程里讲授。图正放四角锥平板网架第二章钢结构的材料钢结构常需在不同环境条件和情况下承受各种荷载因此其钢材应具有良好的机械性能(静力、动力强度和塑性、韧性等)和加工工艺性能(冷、热加工和焊接性能)以保证结构安全、节省钢材、便于加工制造并降低价格和投资。钢材的种类很多其性质、用途和价格各不相同。符合钢结构这些要求的钢材只是属于碳素结构钢和低合金结构钢中的少数钢钢、钢等几种如。不同用途、荷载和工作环境条件的钢结构对钢材性能的具体要求应有区别。此外结构钢材的受力破坏虽然在通常条件下是伴随有明显变形的塑性破坏但在有些情况下也可能是没有明显变形征兆的突然发生的脆性破坏。因此应了解钢材的主要性能及其影响因素研究可能导致钢材脆性破坏的原因以便针对结构的具体条件合理地选用钢材和设计结构。这对提高和保证钢结构的质量防止和减少脆性破坏事故取得良好的经济和使用效果都是必要的。这也是本章将要阐述的主要内容。第一节钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能(也称力学性能)通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下均匀拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。一、钢材在单向均匀拉力作用下的性能钢材的单向均匀拉伸比压缩、剪切等试验简单易行试件受力明确对钢材缺陷的反应比较敏感试验所得各项机械性能指标对于其它受力状态的性能也具有代表性。因此它是钢材机械性能的常用试验方法。钢材的拉伸试验通常是用规定形状(圆形或板状)和尺寸的标准试件、在常温()下以规定的应力或应变速度逐渐施加荷载进行的。由于加载速度缓慢又称静力拉伸试验。钢材静力拉是低伸试验的机械性能常用拉伸曲线即应力应变曲线来表明。图应变曲线。碳结构钢材静力拉伸试验的较典型的应力图中纵坐标是试件横截面上的名义为试件应力的受拉荷载和原横截面面积)横坐标是应变为试件的原标距长度和标距长度的伸长量)。该曲线所显示的钢材受力状况和一些机械性能如下:段中弹性阶)钢材拉伸试验时的加、卸荷载过程表明当应段(图力不超点的应力时试件应力的增或减相应引起应变的增或过某一应力值、即曲线上试件变形也完全恢减卸除荷载后(复(没有残余变形。钢材的这种性质称为点的应力称为弹弹性对应于最高性极限。在此之前钢材处于完全弹性的受力阶段。图碳素结构钢静力拉伸曲线钢)(屈服阶段弹性阶段颈弹性阶段弹塑性阶段缩阶段。段和曲线段即(段。线上述弹性阶段段又可分为倾斜直线在间呈称为比例极限)时为该直线段的斜率称为钢材的线性正比例关系即通常对所有的钢材取统一的弹性模量值弹性模量。在钢结构设计中。间是曲线曲线时虽然钢材仍处于弹性状态但段即当关系其称为瞬时切线模量或简称为切线模量其值随应力的增加而逐渐减小。由于钢和弹性极限常较接近而且值常材的比例极限因钢材内残余应力(钢材因轧制、校正、不均匀加热和冷却等原因产生的残存于钢材内的初始应力)等的影响而不很确定和有一定的波动因而实际应用中常不区分比例极限和弹性极限值认为二者相同并常用比例极限表示。弹塑段性)阶段(图当施加的应后力超过中弹性极限、即钢材不再是完全弹性的这时钢材的变形将包括弹性和塑性变形两部分其中塑性变形在卸除荷载后不再恢复因而试件将留有残余变形(例如图或点处向下虚线)。弹塑性阶段的变形增继续逐继续随应力的增加而加快亦即切线模量长率点达到屈服点渐减小直至应力(图的)时为零。对有些试件其试验曲线没有明显的弹塑性阶段即弹性阶段一直保持到屈服点。段)中屈服阶段(图当施加的应力经过弹塑性阶段而达到某一数值时经上下波动然后稳定在该值附近的某一定值(图实线)也曲线中的应力可能不中发生波动而点前短虚线)这时荷载暂时不能增加但变形达到定值(图即变形模量为零。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载故称为钢材应力达到却持续增长屈服进入受力的屈服阶段。钢材屈服时其应力值的上限称为上屈服点对应点的应力即曲线上对应于的值点的于下限应力称为下屈服点。受试件加载速度、横截面形状和量测技术等的影受其影响较小对同一种钢材有较稳定的数值。因此通常以响而不太稳定为屈服荷载)作为钢材的屈服点。如果在试件应力达到下屈服点时卸除荷载则留约为有相应的残余应变。对碳含量很低的钢或高强度钢常没有明显的屈服的应力作为该钢材的屈服点点这时规定用其对应于残余应变常称为条件屈服点或屈服强度。为简单划一钢结构设计中常不区分钢材的屈服点或条件屈服点而。钢材的屈服阶段从屈服应变一直延续到应变统一称作屈服应力或屈服强度点的。段)钢材经历了屈服阶段较大塑性变形强化阶段(图中后金属内部结构因受力得到调整又部分地恢复了继续承受增长荷载的能力应力应变曲线又有上升趋势(中图段)称为钢材的强化阶段。但是这个阶段加载时的变形增长率比弹性阶段和弹塑性阶段时大得多亦即其变形模量(称强化模量)很低。试件能承受的最大拉应力相应于曲线的试件的最大拉点该应力力)称为钢材的抗拉强度。颈缩阶段中段)时在承载能力最弱(图当试件应力的截面达到处横截面急剧收缩局部明显变细试件伸长量迅速增长并且荷载下降直至拉断(图中名义应段)。试件的这种局部收缩变细和拉断的过程称为颈缩阶力下降的段。试件拉断后其断口处横截面面积(即颈缩比原横截面面积处最小横截面面积)的缩减百分比值称为钢材拉伸的截面收缩率即:截面收缩率标志着钢材在颈缩区的三向同号拉应力状态下可能产生的最大塑性变形能力是衡量钢材在该拉伸应力状态下发生永久塑性变形而不致断裂的性质的一项重要值愈指标。大表明塑性性质愈好。试件拉断后标距长度的伸长量与原比值百分数称为钢材拉伸的伸标距长度长率:。伸长率是衡量钢材塑式中为试件拉断后标距部分的长度(图性性质的又一项主要指标。由于它量测方便准确并且一般也能代表截面收缩率的情况所以是常被采用的控制钢材塑性性质的指标。伸长率愈大表示钢材破断前产生永久塑性变形和吸收能量的能力愈强延伸性和塑性种钢材的伸长率值随所取用的试件标愈好。需要指出的是同为板状试(板状试与横截面直径距件等效直径取件的横截面面积)之比的增加、以前也曾取分别称其为短标距试件和而减小。标准试件取长标距试件其表示伸长率分别用是指按试件未拉另需指出图曲线的应力伸时的原截面面积计算的名义应力计算的。由于拉伸过程中试件截面逐渐变细按拉伸过程中实际截面面积当钢材实际应力将大于名义应力屈服后其差别逐渐显著尤其在颈缩阶段的颈缩处倍甚至截面显著变细该处实际应力将比名义应力大得多至拉断时一般可达曲线在颈缩阶段更大。图和名义应力段)显示荷载逐渐减小但如描绘(曲线曲线则颈缩处实际应力仍是持续并加速增长直至拉断。另外的应变是指试件标距部分应变的平均值因此在颈缩阶段颈缩处局部的应变将远大于按标距量测的应变和伸长率标距愈大时差别愈大拉断时伸长率愈低。为表达和计算方便并与设和计计算情况一致钢材的各项强度指标等均按名义应力应变伸长率等均按标距平均值计算。与其由于钢材的弹性极限屈服强度的值接近(尤其是没有明显弹塑性阶段的钢材)二者之间的变形也不大因而作为钢材单向均匀受拉实际工作中常以屈服强度(压)时时钢材在弹性阶段工作时弹性与塑性工作的分界标志:即当其应力完在塑性阶段工作。这就是通常把钢材视为一种理想弹塑性(或称弹性善塑性)材料的模式。钢材在时应力与应变间大体呈线性正比例关系其应变或变弹性阶段工作即形值很小钢材具有持续承受荷载的能力但当在非弹性时钢材屈服阶段工作即并暂时失去了继续承受荷载的能力伴随产生很大的不适于继续受力或使用的变形。因此钢结构设计中常把屈服强度定为构件应力可以达到的限值亦即把钢材应力达到屈服作为强度承载能强度力极限状态的标志。是钢材抗破断能力称的钢材抗拉强度极限。钢材屈服强度与抗拉强度之比愈大强度为屈强比愈它表明设计强度的一种储备。储备愈小不够安全小强度储备愈大并安全但钢材屈强比过小时其强度利用率低、不经济。因此在要求钢材屈服强度的同时尚要求钢材具有适当的抗拉强度抗拉强度也是钢材机械性能的一项重要指标。表明钢材的塑性变形的发展能力。伸长率较高的钢伸长率材对调整结构中局部超屈服高额应力、结构中塑性内力重分布的进行和减少结构脆性破坏的倾向性等都有重要意义。起被认为是承重钢结综上所述钢材的屈服强度、抗和伸长构对率拉强度其钢材要)的求所必需的三项基本机械性能指标。对于一般厚度钢国家标准规定其屈服点(抗拉强度伸长率屈服强度)。二、钢材的冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能是力的一项指标。图冷弯试验的示意图即用具有弯的冲头对标准试件中心直径部施加荷载使之弯曲检查并记录试件弯曲部位出现裂纹或分层等情况时的冷弯角图钢材冷弯试验示意图或者要常用求将试件冷弯到规定的角度)而不出现裂纹或分层等作为判断钢材冷弯性能的方法。的比值对钢材厚度钢材的冷弯性能取决于钢材的质量并与试验所取弯心直径有关。的钢材冷弯试验合格的标准是:试件宽度弯心直径(轧制纵向试样对型钢横向试样对钢板和钢带)并冷弯角时试件无裂纹或分层等现象发生。钢材的冷弯性能不但是检验钢材适应冷加工能力和显示钢材内部缺陷(如分层、非金属夹渣等)状况的一项指标而且由于冷弯时试件中部受弯部位受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用因此也是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的一项标志。三、钢材的冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲钢击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能材的冲击韧性通常采用有特定缺口的标准试件在材料试验机上进行冲击荷载试验使试件断裂来测定。常用标准试件的型式有梅氏(形)和夏比缺口试件(图形表缺口试件(图两种。形缺口试件的冲击韧性指标一般用冲击值示即用冲击荷载使试件断裂时试件所吸收(消耗除以缺口处横截面面)的功(冲击功)(即)积所得的值其单位为或形缺口试件的冲击韧性指标一般用冲击表示其单位为功。由于形缺口试件根部较尖锐应力强度更高对冲击更敏感一般更能反映结构类裂纹性缺陷的影响但试件缺口处的加工偏差要求比形缺口试件更严格。图钢材冲击韧性试验示意图形缺口试件试件。。对碳素结我国规定钢材的冲击韧性按形试件冲击功构钢(国家标准级(钢质量等级(级钢)不要求做冲击试验钢)分冲击功(轧制纵向试样)。旧国家标准则规定别要求常温形试件冲击一般钢材的冲击韧性按形试件冲击值而铸钢和焊条熔敷金属按功钢(旧称号钢有冲击韧性要求时常温冲击值的要求为厚钢板厚型钢、纵向)。、横向)和钢材的冲击韧性不但与钢材质量、试件缺口状况和加载速度有关而且受温度、特别是负温的影响较大当温度低于某一负温值时冲击韧性将急剧降低。因此对于在常温或较低温度下工作的有冲击韧性要求的钢结构钢材对碳素结钢应采用构钢或钢或时分别的对保形冲击低合金结构钢功证温度为、钢等则应附加或保形冲击功证相应温度时的。另外钢材的冲击韧性还与其厚度有关。较大厚度钢材的冲击韧性尤其是负温冲击韧性将显著降低。因此在负温条件下使用的钢结构应尽量采用较小厚度的钢材。常用钢材的上述主要机械性能指标的合格要求见附录一。第二节决定和影响钢材性能的因素决定钢材机械和加工工艺等性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构与钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程也有密切的关系。此外钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态、及其所处的环境温度等对其钢材的机械性能也有重要的影响。一、化学成分)和少量的碳。此外有锰钢的主要化学成分是铁(在普通碳素钢中约占、、硅()等氧有利(元素、以及熔炼中很难除尽或混磷(氮氢入的硫)等有害杂质元素。在合金钢中还有特意添加以改善钢材性能的某些合金元素如锰、钒()等。碳、锰、硅和杂质元素以及合金元素的含量虽少但对钢材性能有很大的影响。碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性(钢材对焊接的适应性主要指在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度)有决定性的影响。随着碳含量的增加钢材的抗拉强度和屈服强度提高但其塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低焊接性也变坏。钢结构的钢材不但应有较高的强度而且应有良好的塑性、较好的焊接性(对结构)和冷弯性能以及必要的韧性。所以结构钢材的碳含量不能过高通常不超过。锰是结构钢的常有元素。在碳素钢中多是炼钢时作为脱氧剂加入钢液的元素通常含在低合金锰钢量为中是作为合钢和金元素在钢中其含量为。钢的锰含量不太多时能显著改善钢材的冷脆性能并提高其屈服强度和抗拉强度而又不过多地降低塑性和冲击韧性锰对脱除钢中有害元素氧的含量有作用锰还能与钢中的硫在高温下化合成熔点很高(约远高于钢材的一般加工温度)的硫化锰(因而减除硫的有害作用使钢材热加工时因硫而产生裂纹的ldquo热脆rdquo现象减少。但是过量的锰含量会使钢材变脆和塑性降低。硅与钢液中的氧有较强的化合作用且能使钢中纯铁体晶粒细小和散布均匀是熔炼有较好性能的镇静钢的一种常用的脱氧剂。适量的硅可提高钢材的强度而对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著的不良影响。过量的硅将降低钢材的塑性和冲击韧性恶化其抗锈蚀能力和焊接性。结构钢中硅含量一段钢)或不超过钢)。钒是熔炼锰钒低合金钢时特意添加的一种合金元素可提高钢材强度和细化钢的晶粒钒的化合物具有高温稳定性使钢的高温硬度提高。钢就是近年在低合金锰钢钢基础上加入适量)的钒而熔炼成功的一种新的强度较高的低合金结构钢。硫和磷是钢中两种十分有害的元素。硫与铁化合生成硫化铁散布在纯铁体的间层中当温度在时熔化而使钢材出现裂纹称为ldquo热脆rdquo现象使钢的焊接性变坏硫还将降低钢材的塑性和冲击韧性。因此应严格限制结构尤其是焊接结构钢材的硫含量一般要求不超过。磷的有害作用主要是使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏称为ldquo冷脆rdquo现象在高温时也使塑性变差。因此结构钢材中也应严格限制磷含量一般要求不超过氧、氮、氢通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液在冷却后余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚增加钢的脆性氮的作用类似于磷能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其ldquo冷脆性氢在低温时易使钢呈脆性破坏产生所谓ldquo氢脆rdquo破坏现象。因此较重要的钢结构尤其是在低温下承受动力荷载的钢结构用钢的上述元素含量也常要求加以限制。二、冶炼、浇注、轧制过程的影响我国目前钢结构用钢主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成的这两种冶炼方法炼制的钢的质量大体相当。侧吹碱性转炉法炼制的钢质量较差产量不多现已不用于承重钢结构中。电炉钢质量精良但成本高、电耗大钢结构中一般也不采用。钢冶炼后因浇注方法(脱氧程度或方法)的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是在炉中和盛钢桶中的熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧。当钢液铸锭时钢液中仍保留有相当多的氧化铁与其中的碳等化合生成一氧化碳)等气体大量逸出致使钢液剧烈ldquo沸腾rdquo故称沸腾钢。这种钢铸锭后冷却速度快溶于钢液中的气体不能全部逸出且易形成气泡包在钢锭内还使硫、磷杂质分布不匀出现其局部富集的所不但谓ldquo偏析rdquo现象。钢的ldquo偏析rdquo及分布不均的气泡使钢材质量不均匀而且常使轧制钢材产生分层降低钢材、特别是厚钢板的抗层状撕裂(即钢板在厚度方向受拉而分层破坏)的能力。但是沸腾钢生产工艺简单价格便宜质量能满足一般承重钢结构的要求因而应用较多。镇静钢是在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅(或铝)和锰等进行较彻底脱氧因而钢液铸锭时不再发生沸腾现象而在锭模内平静地逐渐冷却故称镇静钢。由于钢液不沸腾、冷却速度较慢残留气体较易逸出因而质量优良且均匀组织致密杂质少偏析小。与沸腾钢相比其冲击韧性和焊接性较好冷脆和时效敏感性较小强度和塑性也略高。但镇静钢需要一定量的强脱氧剂铸锭时需要适当保温因而工艺过程较复杂冷却后钢锭头部缩因而价格较高。凹而需要切除的部分较多致使收得率低(约半镇静钢是在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅(或铝)脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静钢的脱氧要求比镇静钢更高一般并应含有足够的形成细晶粒结构的元素如铝等通常是用硅脱氧后钢以及桥梁再用铝补充脱氧。我国碳素结构钢中的锰用钢如桥(钢等属特殊镇静钢。由铸锭轧制钢材是把钢锭再加热至的高温后进行的。这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性。轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏松部分锻焊密实起来消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。因此轧制钢材比同种类铸钢质量好而且压缩比(钢坯与轧成钢材厚度之比)愈大时其强度和冲击韧性等也愈高。此外由于轧辊的压延作用钢材顺轧辊轧制方向的强度和冲击韧性等机械性能比其横向的要好。三、热处理的作用普通钢材轧制后是自然堆放冷却而不做热处理。如经适当的热处理则可显著提高其强度并保持其良好的塑性和韧性。我国一般钢结构中目前尚不采用热处理钢材仅对少数强度较高的低合金结)钢等规定应经热处理锰钒氮桥构钢如锰钒氮钢已用于九江长江大桥等铁路桥梁。高强度螺栓则是用一些强度较高的优质号钢)或低合金结构钢钢等)制成碳素结构钢螺栓后进行热处理调质(淬火后高温回火)以进一步提高其强度和质量性能。四、残余应力的影响热轧型钢中的热轧残余应力是因其热轧后不均匀冷却而产生的。型钢热轧终结时截面各处的温度大体相同但其边缘、尖角及薄细部位因与空气接触表面多而冷固较快其余部分冷固较迟。先冷却部位常形成强劲的约束阻止后冷却部位金属的自由收缩从而常使随后冷却部位受拉在型钢中产生复杂的残余应力分布。此后钢材的调直和加工(剪切、气割、焊接等)还将改变这种分布。钢材或构件经退火或其它方法处理后其残余应力可部分乃至全部消除。(关于残余应力产生和对受力影响的原理第四章第六节还将进一步说明。)显然不同形状、尺寸和规格型钢的截面残余应力分布各不相同相同型钢的截面残余应力分布也因热轧后的堆放、冷却条件和随后的调直方法等不同而有差别。热轧工字钢和型钢截面残余应力典型化的分布状况如图其具体分布和峰值随截面高宽比值和各个板件间厚度比例的不同而有差别。热轧角钢截面残余应力的分布大体如图。热轧钢板截面残余应力的分布大体为边缘受压、中间受拉的抛物线形如图。残余应力是一种自相平衡(每个截面的内力和力矩自相平衡)的应力。如将钢材截面进行分割则原有平衡破坏故残余应力的分布和大小将改变。构件承受荷载时荷载引起的应力将与截面残余应力叠加从而使构件某些部位提前达到屈服强度并发展塑性变形。此后继续增长的荷载将只由截面弹性区承受而塑性区的应力不再增加。这样构件达到强度极限状态时的截面应力状态将与没有残余应力时完全相同即残余应力不影响构件强度。但是由于截面塑性区退出受力和发展塑性变形残余应力将降低构件的刚度和稳定性(第五、六章将再论述)。此外残余应力尤其是焊接残余应力与荷载应力叠加后常使钢材处于二维或三维的复杂应力状态下受力将降低其抗冲型钢)普通工字钢击断裂和抗疲劳破坏的能力。五、温度的影响钢材所示。由图可见当温度升高时钢的机械性能随温度的不同而有变化如图和弹性模量的总以下、抗拉强度时变化趋势材的屈服强度是降低的但在反而有较大提高但这时的相应伸长不大。当温度在率较低、左右时钢材的冲击韧性变差钢材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征称为ldquo蓝脆rdquo。如在ldquo蓝脆rdquo温度范围内进行钢材的机械加工则易产生裂纹故应力求避免。当温度超过时钢材开始显著增大钢材和开始显著下降而的产生徐变当温度超过时强度和弹性模量都急剧降℃时其承载能力几乎完全丧失。低达图热轧钢材截面残余应力典型分布示例角钢板。钢图温度对钢材机械性能的影响)等虽有钢材的温度由常温下降特别是在负温度范围内时钢材的强度(提高但塑性和韧性降低、脆性增加。图是钢材冲击韧性在常温以下随温度变化的示意曲线。由图可见温度的高值部分和的低值部分的曲线较平缓表明钢材冲击韧性随温度的变化不很敏感而的中间部分曲线的变化急剧表明其冲击韧性值随温度的变化很大且其实际试验值不稳定该区段是钢材由塑性破坏(具有较高的值)转到脆性破坏(值较低)的转变温度区其间曲线反弯点所对应的温度常称为该钢材的脆性转变温度。每种钢材的脆性转变温度区需由大量的试验和统计分析确定。钢结构设计中应防止脆性破坏因而图低温对钢材冲击韧性的影响选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度低于结构所处的工作环境温度且钢材在工作环境温度下具有足够的冲击韧性值但一般并不要求钢材脆性转变温度区的上限温度低于结构的工作环境温度因为这样虽使结构更安全可靠但将造成选材困难和浪费。六、冷加工和时效硬化钢材在弹性范围内重复加、卸荷载一般不致改变钢材的性能超过此范围时则将引起钢材性钢材重复加载能的变化。例如图的曲线表明:当点开始)至已经发展塑性第一次加载(由点后完变形的点当再次加载时全卸载至曲线大致将按回升荷卸载时的原有直线载更大时再沿原来的钢材一次加载情曲况的线的前进表现为钢材的屈服强度提高弹钢材的冷作硬化性范围增加塑性和伸长率降低。钢材的这一性质图称为冷加工(或冷作)硬化或应变硬化。钢材在冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等冷加工时都有很大的塑性变形因而产生冷作硬化。冷作硬化虽可提高钢材的屈服强度但同时降低塑性和增加脆性对钢结构特别是承受动力荷载的钢结构是不利的。因此钢结构设计中一般不利用冷作硬化对钢材屈服强度的提高而且对直接承受较大动力荷载的钢结构还应设法免除冷作硬化的影响例如刨去钢板因剪切形成的冷作硬化边缘金属等。钢材随时间进展将使屈服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低称为时效硬化(如图曲线由转变为。这是由于钢在高温时溶于其纯铁体中极少量的氮等随着时间的延长从纯铁体中析出并形成自由氮化物而存在于纯铁体晶粒间的滑动面上阻止了纯铁体晶粒间的滑移因而约束了塑性发展的缘故。不同种类钢材的时效硬化过程的时间长短很不相同可从几小时到数十年。为加快测定钢材时效后的的机械性能常先使钢材产生约塑性变形、再加热到一定的温度、然后冷却到室温进行试验这样可大大缩短钢材的时效过程这称为人工时效。图的曲线为应变硬化及时曲效后的线即先加载(自点开始)至发展塑性变形的点然后卸载到点经一段时间即时效硬化后将是即曲线。七、应力集中的影响图钢材的时效硬化时效后曲)时效前曲线钢材标准拉伸试验采用经机加工的光滑圆形或线)应变硬化及时效后曲线。板状试件在轴心拉力作用下截面应力分布均匀。实际钢结构中常有孔洞、缺口等致使构件截面突然改变。在荷载作用下这些截面突变处的某些部位(孔洞边缘或缺口尖端等处)将产生局部高峰应力其余部位应力较低且分布极不均匀(图这种现象称应力集中。通常把截面高峰应力与平均应力(当截面受轴心力作用时)的比值称为应力集中系数其值可表明应力集中程度的高低它取决于构件截面突然改变的急剧程度。例如图说明槽孔尖端处的应力集中程度比圆孔边缘要高得多。图孔洞及槽孔处的应力集中在应力集中的高峰应力区内通常存在着同号的平面或立体(三维)应力状态这种应力状态常使钢材的变形发展困难而导致脆性是带有不同槽口试件的静状态破坏。图应变曲力拉伸试验的应力线。由图可见截面槽口改变愈急剧、即应力集中愈高的试件图带槽口试件的拉伸应应变曲线力应力集中引起孔槽边缘处局部的应力高峰当结构所受静力荷载(轴心拉力为例)不断增加时高峰应力及其邻近处局部钢材将首先达到屈服强度。此后继续增加荷载将使该处发展塑性变形而应力保持不变所增加的荷载由邻近应力较低即尚未达到屈服强度部分的钢材承受。然后塑性区逐步扩展直到构件全截面都达到屈服强度时为强度的极限状态。因此应力集中一般不影响截面的静力极限承载力设计时可不考虑其影响。但是较严重的应力集中、特别是在动力荷载作用下加上残余应力和钢材加工的冷作硬化等不利因素的影响常是结构、尤其在低温环境下工作的结构发生脆性破坏的重要原因。所以设计时应尽量减免构件截面的急剧改变以减小应力集中从构造上防止构件的脆性破坏。第三节钢材在复杂应力状态下的工作前已叙述可视为钢材在单向拉伸(或压缩、弯曲)下弹性与塑性钢材的屈服强度时则在塑性状时钢材在弹性状态下工作当工作的分界标志:亦即当正应力态下工作。在实际钢结构中钢材常是在双向或三向的复杂应力状态下工作这时钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力而是由反映各方向应力综合影响的某个ldquo应力函数rdquo、即所谓的ldquo屈服条件rdquo来确定的。根据材料强度理论的研究和试验验证形状改变能量强度理论给出的屈服条件能够较好地阐塑性工作状况。明接近于理想弹塑性体的钢材的弹图示三向主应力作用下的单元体外荷载作功使单元体发生应变从而引起其抗拉强度愈高但塑性愈差、破坏的脆性倾向愈大。体积和形状改变单元体内相应聚积体积改变和形状改变两种应变能。形状改变能量强度理论认为外荷载对单元体单位体积所做的形状改变功或单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能达到一定数的量见下文式(时就会引起钢材的屈服。图复杂应力作用下的单元体)三向主应力作用的单元体三向正应力、剪应力作用的单元体。由材料力学可以导出单元体在三向主应力作用下(图单位体积的形状改变功或应变能为:式中钢材的弹性模量和泊松比。当仅有单向主应力作用即时此功或应变能为:已知单向拉伸(或压缩)钢材屈服时的应力为代入式()即得钢材屈服时需对单元体单位体积所做为:的形状改变功或单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能式(的分别表示小于、等于或大于式(的三向主应力单元体处于不发生屈服(弹性工作)、极限状态或发生屈服(塑性工作)状态。由此解得该单元体不发生屈服的条件为:或为了表达方便表示称为折算应力。上面公式中把左方应力函数表达式用符号对于单元体更为所示的三向正应力和剪应力复杂应普遍的应力状态即如图力状态则可由材料得出其力学单元体上正应力和剪应力与主应力间的关系代入式(不发生屈服的条件为:时为:在双向应力作用下即当只有单向和时为:正应力和剪应力作用即当只有平面剪应力作和时为:用即只有或/钢材的抗剪屈服强度(式中纯剪屈服应力)。)可见钢材的屈服仅由式(取决于三向主应力间差值平方和的大小而不是三向主应力的自身值。如果三向主应力是时则彼此间相差很小的同号应力、即当单元体的变形主要是各向均匀伸长或缩短引起的体积改变而其形状基本保持不变故其形状改变应变能很小致使塑性变形遭到遏制。因而即使各主应力值很高材料也很难转入屈服和有明显的变形。但是由于高应力的作用聚积在材料内的体积改变应变能很大因而材料一旦遭致破坏便呈现出无明显变形征兆的突然剧烈的脆性破坏特征。第四节钢材的疲劳和疲劳计算一、钢材的疲劳与钢构件和连接的疲劳曲线钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲劳破坏时截面上的应力低于钢材的抗拉强度甚至低于其屈服强度破坏断口较整齐其表面有较清楚的疲劳纹理该纹理显示以某点为中心向外呈半椭圆状放射型的海滨沙滩痕迹般的现象(图通常没有明显的变形呈现出突然的脆性破坏特征。图钢材疲劳破坏断口表面试件断示意图口表面图。钢材的疲劳破坏除了与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷等因素有关外主要取决于循环荷载在钢材内引起的反复循环应力的特征和循环次数。循环应力的特征可用应力随时间变化的曲线即应力谱描述。图是疲劳试验中通常采用的几种正弦波应力谱。标志应力谱的特征可用应力比和和分别为绝对值最大和最小应和表示。图中力并常以的应力为正)表示也可用应力幅)所示的应力循环分别称为完全对称、异号、脉时称为静荷载动和同号应力循环。当。图几种正弦波形应力谱)全对称应力循环异号应力循环脉动应力循环同号应力循环。钢材的疲劳试验表明当钢材为定值时最大、试件、试验环境条件相同、并应力比随疲劳破坏时应力应力循环次数的增加而降低(如的曲图线关系)且曲线具有平行于轴的渐近线。当趋于很大时趋于表示应力循环无穷多次试件不致发生疲劳破坏的循环应力的极限值称为钢材的疲劳强度极限或耐久疲劳强度。由于钢材在时的疲劳强度变化已趋很小实用上常取相应于图疲劳强度与应力循环次数的关系次的疲劳强度作为钢材的耐久疲劳强度相应于其它循环称条件疲劳强度。次数的疲劳强度前已叙述在钢材轧制和结构制造(调直、气割、加工、装配等)过程中构件内将产生残余应力。尤其在焊接结构中焊接部位常有数值很高的焊接残余应力包括残余拉应力其峰值常可接近或达到钢材的屈服。因此当结构承受荷载时截面上实际应力将强度或接是荷载引起的应力与其残余应力的叠加。在残余拉应力为近的区域实际应力开始至的变化大致是由向下变动一个应力。这时该处的实际幅。因此对于不同荷载情况最大应力为相实际应力比为只要其为何值同和名义应力比则不论其名义应力代表疲劳裂纹可能出现部位即实际拉应力高峰部位的实际应力状态都将是上述最和实际应力比大拉应力均相同)作用下引起试件疲劳破坏的应力幅寿命的关系曲线当采用对数坐标时大体是一条斜率为实线):或式中是与钢构件和连接的类型和受力情况等有关的参数又称疲劳特征参数。实际上试验数据有很大离散性是分布在图实线两侧的有一定宽度的一条分散带。式(或图实线是其统计平均值关系曲线。按此实线构件或连接从抗力变异考虑不发生疲劳破坏的保。设证率仅为计时实际采用的应力幅与循环作用次数的关系应按可靠度理论确定但考虑到目前对疲劳破坏全过程(疲劳裂纹图疲劳应力幅与应力的关系循环次数形成、扩展以至断裂)极限状态问题的研究以及影响参数的数据还不充分现行《钢结构设计规范》规定按容许应力幅计算方法来验算钢构件和连接的疲劳。容许应力幅取分散带的下限即平行于式(或图实线但偏左倍标准差(疲劳试验数据统计分析中分布的标准差)的疲劳曲线(图点划线)。规范规定取倍标准差即则当为正态分布时从抗力变异

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